一、背景介紹

高功率光纖激光器憑借其轉換效率高、性能穩定、光束質量好以及結構緊湊等優點，被廣泛應用于工業加工、****、生物醫學、環境監測等各個研究領域，極大推動了人類社會發展。目前，光纖激光器在1 µm波段已經實現了20 kW連續激光單纖輸出，通過光束合成技術已經突破200 kW激光輸出。在輸出激光脈寬方面，光纖激光器通過調Q、鎖模技術可以實現從準連續到飛秒全覆蓋，其中皮秒、飛秒光纖激光器峰值功率可以達到GW量級。在輸出波長方面，通過選用不同的稀土離子摻雜光纖以及光與物質的非線性相互作用等方式，輸出光譜范圍可以從紫外覆蓋至中紅外波段，滿足應用需求。

隨著傳輸功率的不斷提高，傳統實芯石英傳能光纖由于其纖芯材料損傷閾值以及非線性效應的限制，極大影響了傳輸功率以及傳輸長度的進一步提升。并且石英材料在中紅外波段嚴重的物質吸收以及在短波處較大的瑞利散射損耗，影響了其傳輸激光范圍。如何將多波段高功率激光進行高效、穩定的柔性傳輸仍是重要的發展方向。

為打破傳統實芯石英光纖的限制，空芯光纖應運而生，尤其是空芯反諧振光纖（HC-ARF）。空芯反諧振光纖是一種依靠反諧振反射光波導進行導光的微結構光纖，其將光場限制在低折射率的空氣纖芯中。與傳統實芯光纖相比，空芯反諧振光纖以空氣作為傳輸介質，降低了模場與石英材料重疊度，具有高損傷閾值、低非線性等一系列優良性能，有望在高功率激光柔性傳輸領域中發揮其獨特的優勢。利用空芯反諧振光纖實現特殊波段高功率激光傳輸也是重要的發展方向。通過調節空芯反諧振光纖的石英壁厚對傳輸通帶進行選擇，拓寬了可傳輸的激光波段，并且該光纖利用纖芯空氣導光，模場與石英壁重疊度較低，極大減小了材料吸收損耗以及散射損耗，可實現從紫外到中紅外波段激光的低損耗傳輸。

二、空芯反諧振光纖導光機理

空芯反諧振光纖基于反諧振反射光波導理論（ARROW）實現導光，其導光模型如圖1所示，纖芯中傳輸的光由包層石英壁厚度決定，其諧振波長可以表示為，其中t為石英壁厚度，nglass為石英折射率，nair為空氣折射率，m為一個正整數。當傳輸波長滿足諧振條件時,光被顯著地泄漏掉;不滿足諧振條件時，光被限制在纖芯中傳輸。因此，空芯反諧振光纖具有比光子帶隙光纖更寬的導光通帶。同時，可以通過調控石英壁厚度實現傳輸窗口的選擇。目前空芯反諧振光纖已經在多個重要波段實現低損耗傳輸，并且大多低于傳統實芯石英光纖在相應波段的損耗極限，吸引了越來越多科研單位及高校開展基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸相關研究。

圖1 ARROW結構及其傳輸譜

三、基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸技術研究進展

1. 近紅外波段激光空芯反諧振光纖柔性傳輸

近紅外波段激光器技術完備、工業成熟，有著更高功率、更大能量激光輸出，且應用領域十分廣泛，因此對于高功率激光傳能一直有著巨大的應用需求。同時，在該波段，空芯反諧振光纖相較于其他波段而言制備難度相對較小，更容易實現低損耗傳輸。因此很多創紀錄的空芯反諧振光纖激光傳輸工作都是針對近紅外波段激光開展的。

在高功率連續激光傳輸方面，北京工業大學激光及光纖技術研究團隊設計并制備了纖芯直徑為65 µm的多模嵌套式空芯反諧振光纖，如圖2（a）所示。通過仿真計算該光纖可以實現至少5個模組的低損耗傳輸。并針對光束質量為1.38的少模激光進行了傳輸實驗，在10 m的傳輸長度上實現2951 W激光輸出，傳輸效率為95.2%，并且輸出光束質量以及光譜都有著較好保持。隨后換用更長光纖進行了傳輸測試，在110 m的傳輸長度上，實現2850 W激光輸出，傳輸效率為92%，如圖2（b）所示。該工作為少模及多模激光的高效率傳輸奠定了基礎，有望基于多模空芯反諧振光纖實現更高功率傳輸。

圖2 3 kW連續激光百米傳輸實驗。（a）所用的多模嵌套式空芯反諧振光纖SEM圖；（b）輸出功率及傳輸效率隨輸入功率的變化曲線

表1展示了國內外具有代表性的基于空芯反諧振光纖的近紅外波段高功率連續激光傳輸的研究進展。可以看到，連續激光傳輸在兩方面實現了相應的提升，一方面是傳輸距離的增加，另一方面是傳輸功率的提升。

表1 基于空芯反諧振光纖的近紅外波段高功率連續激光傳輸的研究進展

2. 中紅外波段激光空芯反諧振光纖柔性傳輸

中紅外激光以其重要的應用背景和極大的需求成為光學領域的研究重點。但中紅外激光柔性傳輸仍是亟待解決的難題。傳統石英光纖在2.4 µm以后存在強烈的材料吸收效應，而以氟化物、硫系材料為基底的軟玻璃光纖雖然具有較低的傳輸損耗，但其存在制備難度大、物化性能差、損傷閾值低等缺點。石英基空芯反諧振光纖既可以保持石英基底良好的物化性能，又因為其纖芯空氣導光，模場與石英壁重疊度較低，極大減小了材料吸收對其傳輸性能的影響，可以實現在中紅外波段低損耗傳輸。

本團隊進一步突破了基于空芯反諧振光纖的中紅外波段高功率連續激光傳輸功率。基于空芯反諧振光纖充當氣體腔制備了中紅外氣體激光器，纖芯內填充乙炔氣體通過粒子數反轉的方式實現了3.1 µm激光輸出，大輸出功率為21.8 W，輸出激光具有較好的光束質量。隨后利用空芯反諧振光纖中進行激光傳輸，大輸出功率為20.05 W，傳輸效率為88.09%，輸出光束質量為1.25/1.26（X/Y）。

圖3 中紅外連續激光傳輸實驗。（a）空芯反諧振光纖輸出功率隨輸入功率變化曲線；（b）空芯反諧振光纖輸出光束質量

3. 可見及紫外波段激光空芯反諧振光纖柔性傳輸

可見光及紫外波段激光在許多領域被廣泛應用，如激光加工、量子信息處理、精密光譜學等。傳統的實芯光纖因石英材料的本征缺陷，在短波處存在較大的瑞利散射，增大了傳輸損耗。另外，在紫外波段，輻照會導致傳輸介質產生色心，即日曬效應，對光纖產生不可逆損傷。空芯反諧振光纖為可見及紫外激光傳輸提供了一種新思路。

2017年，本團隊對532 nm綠光高功率皮秒激光傳輸實驗進行了研究。所用光纖是纖芯直徑為26 µm單圈結構的空芯反諧振光纖，損耗為80 dB/km@532 nm，最終在0.3 m的光纖長度下實現了32 W平均功率輸出，單脈沖能量為144 µJ，對應峰值功率為7.2 MW。2024年，英國南安普頓大學的Fu等利用單圈結構空芯反諧振光纖實現了百米量級的綠光高功率納秒激光傳輸。

在紫外激光傳輸方面，我們組制備了纖芯直徑為15 µm的單圈結構空芯反諧振光纖，其損耗為0.3 dB/m@355 nm。隨后利用輸出波長為355 nm、脈沖寬度為20 ps、重復頻率為1 kHz的紫外激光進行了傳輸實驗，在1 m的光纖長度下實現單脈沖能量106 µJ激光輸出，對應的峰值功率為5.3 MW，實現了紫外波段高功率超短脈沖激光傳輸實驗。驗證了空芯反諧振光纖在紫外波段高功率激光柔性的傳輸潛力，有望在紫外精密加工領域發揮重要作用。

圖4 高功率綠光傳輸實驗。（a）實驗裝置；（b）空芯反諧振光纖輸出功率隨輸入功率變化曲線

四、總結與展望

空芯反諧振光纖通過將光場限制在纖芯空氣中傳輸，具有低非線性、低色散、高損傷閾值以及傳輸模式數量可控等特點，使得基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸技術成為研究熱點。隨著空芯反諧振光纖結構設計以及制備工藝的不斷完善，多個重要激光波段傳輸損耗均得到大幅降低，基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸相關研究報道不斷涌現，已經實現了從紫外到中紅外波段高功率連續激光及脈沖激光傳能相關工作，但是該領域仍有著較大的提升空間，例如進一步提升傳輸功率以及傳輸效率、探索高功率下全纖化集成化傳輸方式等。隨著相關技術難題的深入研究及解決，基于空芯反諧振光纖的高功率激光傳輸技術將成為新一代傳輸方案，推動相關應用領域的快速發展。

參考文獻： 中國光學期刊網

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